从巴拿马船闸到希格斯王国

从巴拿马船闸到希格斯王国

---非线性希格斯粒子数学讨论（5）

单炜滕   

摘要：希格斯大小不能小于“希格斯船闸”可供进靠的大量子的极限“长度”的悖论，类似“谷仓内的标枪悖论”。但这反而能为ATLAS和CMS两个研究团队接下来该怎么办？提供了一个方向：依据顶夸克的质量打开希格斯粒子质量寻找的判据，是大型强子对撞机将它产生时的速度达到光速的97%。判据确定，它的质量为125.9GeV就一锤定音。

关键词：希格斯粒子 大量子论 质量 魔杖

一、用巴拿马船闸模型解释希格斯大质量

1、欧洲核子研究中心（CERN）2012年7月4日宣布，CERN的ATLASA（超环面仪器）实验和CMS（紧凑缪子线圈）实验都观测到新粒子。CMS发现质量为125.3±0.6 GeV/c2的新玻色子。ATLAS发现质量为126.5GeV的玻色子。CMS实验组的发言人乔•因坎迪拉表示：“这是一个初步的结果，但我们认为这个结果非常有力。”我国的态度如何？有两个人的新闻引起我们的关注，特提出来与大家商榷。

1）陈和生先生是中科院高能物理研究所院士、欧洲核子中心大型强子对撞机实验CMS和ATLAS物理研究的中方首席科学家，一直致力于相关科研实验和组织协调工作。他说：“这个粒子是否就是希格斯教授提出来的那种，还需要大量的验证。现在有一种模型是‘超对称模型’，该模型中也有一种希格斯玻色子，但其性质与‘标准模型’中的希格斯玻色子的性质并不相同。这两种粒子的性质不同，衰变也不同。因此，对这次发现的新粒子究竟是哪一种粒子还需要多年的验证。”“目前需要增加统计性，看到更多的粒子。预计在今年年底，这一结果可以出来。至于究竟是什么粒子，还需要更长时间，甚至于还要再造一个加速器。”（2012-07-22《人民日报 海外版》张保淑、李理）

2）陈国明先生是中科院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员及负责人，他说：虽然这次发现新粒子的一些特征，比如产率（出现几率）、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合，但现在统计性太少，还不能确定这个新粒子的各种特性，因此这次也可能发现的是另一种新粒子。以目前取得的数据，要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够，仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机，才能更仔细、准确地验证这个结果。（2012-07-11《科技日报》，董子凡）“99.99994%的置信度并非意味着是希格斯玻色子的可能性，而是指这是一种新发现粒子的可能性。”陈国明说：“要最终证实这个新粒子是不是‘上帝粒子’，还需要验证它的自旋宇称，衰变道，衰变分支比以及与其他粒子的相互作用等特性。”这些特性都得到验证后，如果仍然与彼得・希格斯的预言相符，才能说找到了“上帝粒子”。（2012-07-13《光明日报》詹媛）

2、被认为与科学界寻求已久的希格斯玻色子一致的新粒子，质量已经确定，而且在统计学上有极高的确定性，但为何却不敢确认这就是最终的希格斯玻色子？陈和生院士和陈国明研究员的解释都不错，但可能都没有说到要害。要害是希格斯粒子的单位质量为什么是从大到小，希格斯以及标准模型和超对称模型都还没有一个理论上，预言它的较准确的质量值。

1）希格斯物理是一个神秘的王国，陈和生和陈国明说得对，但不是关键，这不奇怪。例如，1964年希格斯提出的E=M2h2+Ah4希格斯场公式，是对的，但他和合作者这只是理论上预言它能解释其他粒子的质量起源。

2）物理学标准模型和大爆炸理论是对的，但大爆炸理论并不能计算出夸克、轻子等费米子和除希格斯粒子以外的规范玻色子等24种基本粒子的质量。杨振宁—米尔斯规范场理论是对的，得到了实验的验证，但它无论应用到弱还是强相互作用，都禁止规范玻色子带有任何质量，却与实验不符。即标准模型也没有预测希格斯粒子较准确的质量。

3）希格斯之后，科学家中所有关于希格斯场自发对称破缺产生质量机制的科普模型解释，都是对的，但也都没有留下希格斯玻色子的质量较准确的预测。

4）霍金等科学家支持的弦论，是对的。“舶来品”弦论能把包括引力在内的4种自然基本作用力统一起来，但它也没有预言希格斯粒子的质量。按汉语“弦”的词意，弦有多种模具，可如魔杖，西方超弦并非金科玉律。

3、中国科学殿堂之外的希格斯之梦，已经做了数十年。中国在科学理论方面不都是照抄照搬西方的理论，没有自己的原始创新理论体系。2012年第7期《环球科学》杂志发表陈超先生的文章说：“2006年，借助于俄罗斯数学家佩雷尔曼证明的庞加莱猜想外定理的----空心圆球内外表面翻转熵流，人们把时间和热力学、量子论、相对论、超弦论等联系了起来，点燃了第三次超弦革命”。这事还得从川大流出的数学说起。

1958年量子中国走到了大跃进年代“超英赶美”的向科学进军，四川大学数学系有教授带领少数大学生，开出研究类似拓扑数学“灵魂猜想、灵魂定理”的Alexandrov空间（亚历山德罗夫空间）课题。这是苏联著名数学家亚历山大•丹尼洛维奇•亚历山德罗夫在20世纪50年代便放弃了的研究。“灵魂”按汉语词意被解释为：“迷信的人，认为附在人的躯体上作为主宰的一种非物质的东西”。但毛泽东同志却有“政治是灵魂，政治是统帅”的论断。这是我们中国人内心的乱麻吗？不！

论断符合数学对“灵魂”性质的定义：“针对某类特定的数学对象，可从这类数学对象的一些小区域将性质推广到整体。这些小区域称之为数学对象的灵魂”。前苏联对外公开称为Alexandrov空间。也许这与被一批中国高层的从哲学家到物理学家组织有“无神论研究会”打击“伪科学”的对象类似，川大的数学家们为避嫌，对外公开就改为一道难题：“不撕破和不跳跃粘贴，把空心圆球内表面翻转成外表面，把它证明出来”。但最终因三年自然灾害还是偃旗息鼓，川大数学随着学生毕业流落到了民间。

4、川大流出的数学能否再流回川大，我们不管。川大流出的数学与科学殿堂之外的三旋理论结合，在庞加莱猜想的基础上对原先的弦论扩容，我们发现有六种内部结构的特定弦图，类似“魔杖”或“变形金刚”：

1）弦图像孤子链组成的弦线。可用来描绘基因双螺旋结构，微观波粒二象性以及粒子的产生、湮灭、虚发射、虚吸收、电磁波的传播；因孤子链中每个圈子体旋为1/2的自旋，可对应费米子和反费米子的自旋等。

2）弦图像《羊过河》寓言中的独木桥变形“魔杖”的弦线。针对萨斯坎德的《黑洞战争》书中的“持球跑进”和特霍夫特的全息信息守恒的疑难，“魔杖”类似空心圆球内表面翻转成外表面，两只羊在桥中间碰头的“转点”，有类圈体三旋式的自旋能化解矛盾。

3）弦图像“泰勒桶”、里奇流、傅里叶变换结构的弦线。这对宇宙总质量(100%)≌重子和轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)方程，可用类似幺正性概率守恒的办法，作出准确计量的解释。

4）弦图像道路交通网络的公路线、立交桥和车库及各种汽车组成的弦线。用来对应“费曼图”中的树图、圈图进行的对撞、衰变等，更好解释。

5）弦图像长江及其三峡大坝船闸模型组成的弦线。我们称为“大量子论”，可为求证夸克、轻子和规范玻色子等基本粒子的质量谱计算公式提供说明。例如希格斯粒子的单位质量，为什么反比除顶夸克质量外的所有的基本粒子的质量还大？就是它能解答的难题。

6）第6种有内部结构的特定弦图，我们在最后说。

在近百年的粒子物理学史上，多数的事实说明，实验发现的新未知粒子，理论上早先有质量预测值的，实验都能一锤定音。对新发现的疑似希格斯粒子，类似船闸模型的大量子论能一锤定音吗？我们试着来讨论。

5、我们生活在中国，但对长江三峡大坝船闸的数据并不了解，只是用作大量子论的科普，长江大家熟悉。现换为巴拿马运河船闸，更为恰当。

据《南方周末》2012年6月21日发表的《巴拿马运河》一文报道：巴拿马运河是沟通近在咫尺而又相隔千万里的太平洋与大西洋的闸门式运河工程，两端的三级闸门，围起巴拿马地峡的热带雨水，形成一条高高的悬河，让轮船在其中来来往往。船闸可供进靠的船舶极限为长292米、宽32.2米、吃水12.04米。事实上，船闸的尺码极大地改变了造船业，业界把32.2米宽且292米长的船称为巴拿马极限型，成为造船工程师的首选。

2）这是一幅生动的希格斯场、希格斯机制、希格斯粒子和其他基本粒子质量起源的写照。这里对撞机寻求证明的希格斯王国不再神秘，这并不是说希格斯粒子可有可无，而是说类似巴拿马的船闸每级闸门至少要修多宽？多长？才是巴拿马极限型类似的基本粒子大质量。因为基本粒子中的庞然大物，与被精确地塞进为它特制的容器是一致的。我们把所有24种的夸克、轻子和除希格斯玻色子以外的规范玻色子等基本粒子，类似对应船只，修的大坝的船闸闸门才合适，就可知希格斯船闸的极限型。

3）众所周知，在希格斯物理的理论中，有它预测的最大质量的基本粒子。而这个预测竞获得证实，并已通过重要的实验检验，这就是发现顶夸克的质量为175GeV，它极大地增强了超对称希格斯物理的理论分量。

二、谷仓内的标枪悖论修正希格斯大质量

现在我们可以把巴拿马比作希格斯王国，巴拿马运河的船闸限定大船的机制与希格斯王国生成大量子的机制连接。因为根据物理学标准模型和大爆炸理论，我们的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸刚发生时，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子凝聚成物质，通过长时间的演化形成了星系。

那么我们可以这样来设想希格斯王国，它出现在137亿年前的宇宙大爆炸初始，说来它的使命已经大部分完成。这就是希格斯王国有条闸门式工程的“运河”，沟通唯物的点外真空与唯物的点内空间。这类似巴拿马那条高高的悬河，我们的世界就生活在这片热带雨水的“地峡”。

希格斯运河的两端同样是三级闸门，船闸可供进靠的大量子的极限“长度”为175GeV类似的质量；这个“船闸”的尺码，极大地打造了基本粒子物理，被称为希格斯场机制，成为造“上帝粒子”的首选。目前欧洲粒子物理研究所的希格斯王国模拟实验，125.3±0.6 GeV/c2为CMS发现的质量，而ATLAS发现的质量为126.5GeV。取他们各自发现的概率为50%，那么希格斯粒子的质量准确值为：

（125.3 +126.5）×50%=125.9（GeV）        （1）

ATLAS和CMS已经取得了重大研究进展，大多数科学家都认为这种粒子应该就是捉摸不定的希格斯-玻色子，但为什么又不能一锤定音吗？

如今，大型强子对撞机的这些实验仍在继续，两个研究团队希望能够拿出更权威的证据来证明他们所“看到”的粒子就是希格斯-玻色子。但是，接下来该怎么办呢？我们说，不能一锤定音，是因为这个125.9GeV/c2的希格斯粒子质量，与顶夸克的实验质量为175GeV/c2是矛盾的。

这是一个类似“谷仓内的标枪悖论”，即希格斯大小不能小于“希格斯船闸”可供进靠的大量子的极限“长度”的悖论。但解决这个悖论反而能为ATLAS和CMS两个研究团队接下来该怎么办？提供了一个方向：依据顶夸克的质量打开希格斯粒子质量寻找的判据，是大型强子对撞机将它产生时的速度达到光速的97%。判据确定，质量为125.9GeV就可一锤定音。

1、上海科技教育出版社2010年4月出版的查尔斯•塞费的《解码宇宙》一书介绍的“谷仓内的标枪悖论”，是个早已闻名和已经研究解决了的悖论。它的关键点类似塞费的分析是，希格斯王国的“宪法”，测量或观察执行的是爱因斯坦相对论两个假设知识的密码。虽然这个希格斯王国在137亿年前的宇宙大爆炸初始，就已完成了它的使命，但质量“宪法”没变。

塞费说，相对性原理和光速不变原理两个假设有许多离奇的结果，但该理论却有着完美的对称性。观察者或许对长度、时间、质量以及许多其他基本实物各抒己见，但与此同时，所有的观测者都是正确的。塞费用具体数据解说了“谷仓内的标枪悖论”：想象有一名短跑运动员能以光速80%的速度快跑，他是手持一根15米长的标枪，向着一座15米长的谷仓跑去。

这座谷仓有一个前门和一个后门。一开始，谷仓前门开着，后门关着。观测者原地不动，坐在屋顶橼架上测量，由于奔跑者米尺的相对论性效应，他实际测量到这根15米长的标枪缩短了，只有9米。而固定不动的谷仓，仍然保持它原来的15米的长度。塞费说：“正如爱因斯坦的理论所说，信息即实在。如果我们的精确测量仪器获取了关于标枪的信息，这些信息显示标枪是9米长，那么它就是9米长----不必考虑一开始时它有15米长”。

我们不想重复塞费在书中从各个角度论证他的这个正确结论。丹尼尔•肯尼菲克出版的《传播，以思想的速度》一书中，也重复了对类似“谷仓内的标枪悖论”塞费得出的分析：短跑运动员与屋顶橼架上的观测者对事件的顺序意见不一致，解决这个悖论与时间有关。肯尼菲克说，我们习惯于独立地在空间或在时间中测量，但实际存在一个描述两扇门关闭之间信息传播需要时间的时空区域，它兼有空间的和时间的两个方面。

2、具体联系到ATLAS和CMS两个研究团队，他们是要在人工实验室里重新“复活”大爆炸时期的希格斯王国和希格斯运河的船闸，以寻获希格斯粒子的踪迹。这里时间顺序是被颠倒了，但爱因斯坦的理论告诉这却有着完美的对称性。我们用类似巴拿马运河船闸模型的大量子理论，解释希格斯粒子是一种理论上预言的能解释其他粒子质量起源的新粒子，先是在1996年推证出24种的夸克、轻子和除希格斯玻色子以外的规范玻色子等基本粒子的质量谱公式。这类似从薛定谔猫到彭罗斯的薛定谔团块，假设宇宙大爆炸的撕裂，质量变化有类似轮船在船闸的位移在不同落差的分段的数学分析来解释的；当然还有类似射影几何的投射锥和取截景等交织基于撕裂的质量谱公式，理论上才算出顶夸克的质量为175GeV的。